EP3526597A1 - Procede et dispositif de detection et de caracterisation d'un element reflecteur dans un objet - Google Patents

Procede et dispositif de detection et de caracterisation d'un element reflecteur dans un objet

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EP3526597A1
EP3526597A1 EP17780437.4A EP17780437A EP3526597A1 EP 3526597 A1 EP3526597 A1 EP 3526597A1 EP 17780437 A EP17780437 A EP 17780437A EP 3526597 A1 EP3526597 A1 EP 3526597A1
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reconstruction
mode
ultrasonic
wave
energy
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Ekaterina IAKOVLEVA
Dominique LESSELIER
Olivier Roy
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for defining one or more modes of reconstruction for detecting and characterizing defects, in particular by imaging and by multimodal synthetic focusing.
  • Synthetic focusing methods such as Total Focussing Method (TFM) provide, for example, realistic ultrasound imaging of the inspected material, using conventional multi-element instrumentation.
  • TFM images provide optimal resolution throughout the view. By construction, these TFM images offer as advantages of being insensitive to shading effects and multiple rebounds.
  • TFM imaging can be used to draw voluminal defects or vertical plane defects. This realistic representation provides an important advantage for the characterization of defects, in particular for cracks. TFM images are therefore easier to analyze; they present less risk of misinterpretation and make it possible to envisage faster controls by less specialized operators.
  • Synthetic focusing methods produce images by sequencing two main steps: a step of acquiring the ultrasound signals and a step of constructing the images from the previously recorded data. These two steps can be carried out in different ways as explained below.
  • FMC Full Matrix Capture
  • C.Holmes, BW document. Drinkwater, PD Wilcox entitled "Post-Processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation," NDT & E International Vol. 38, pp. 701-71, for example.
  • this type of acquisition consists in recording a set of MxN elementary signals, S (f), with l ⁇ i ⁇ M and l ⁇ j ⁇ N, where M and N represent respectively the numbers of elements used in transmission and reception.
  • the index / denotes the number of the sending element and the index j that of the receiving element.
  • Other data acquisition methods known to those skilled in the art such as plane wave emission known as PWI (Plane Wave Imaging) or the SAFT method (English abbreviation of Synthetic Aperture Focusing Technique) can be used.
  • the synthetic focusing methods consist of coherently summing the contributions extracted from the previously recorded ultrasound signals at each point of the area inspected in a material. These methods can be realized in the time or frequency domain.
  • the TFM method mentioned above is one of these main imaging methods.
  • the associated algorithm consists in coherently summing the amplitude of the received signals to obtain constructive interferences, and thus amplitude maxima, at the place where the defects causing the detected ultrasound echoes are actually located. It relies mainly on the exploitation of flight times evaluated theoretically from direct models. This algorithm can be summarized in three steps:
  • T ij (p) For each point P of the defined reconstruction zone and for each transceiver pair the calculation of the theoretical flight time, T ij (p) corresponding to the path between the transmitter / ' and the receiver y and passing through the point P
  • the paths taken into account for calculating flight times in equation (1) may include one or more reflections on the background of the piece A during the path between the emitting element and the point of the reconstruction zone and / or during the path between the reconstruction point and the receiving element.
  • the polarization of the wave between two successive interactions, longitudinal or transverse is also taken into account.
  • each TFM reconstruction is associated with a propagation mode (direct, corner echo, multiple bounces in the room 7), as well as the polarity of the ultrasonic waves (longitudinal or transverse), gives rise to a number important images, each of which may carry different and complementary information on the position, nature and geometry of defects sought D.
  • n TM (P) the normal formed by the directions go (ÎL and return 6 i of the wave
  • N number of transceiver elements composing the translator
  • FIG. 4 we consider a planar defect D of vertical orientation, in an object A to be inspected, for a given reconstruction zone Zr and for a reconstruction in corner echo mode (ie with a rebound on the background of the object) taking into account only transverse waves T.
  • the evaluation of the Reflection Counter C m ⁇ P, n) at each point P of this reconstruction zone Zr makes it possible to constitute a cartography (FIG. the values are coded according to a palette of colors represented in the figure by shaded gray areas.
  • This estimator provides necessary but not sufficient information to fully predict the relevance of a reconstruction mode for detecting a known orientation plane defect located in the reconstruction zone.
  • the reconstruction mode considers only geometric paths, and other physical considerations must also be taken into account.
  • One of the objectives of the invention is to propose a tool for predicting, for a configuration of the defect detection system and a type of defects sought, the most relevant reconstruction mode (s) m to be used to obtain a better result. visualization and characterization of defects present in a room. More precisely, for each point P belonging to a reconstruction zone Zr, this tool makes it possible to estimate the capacity of a reconstruction mode to be able to detect or not, the facies of a plane defect from specular echoes whose course checks the Snell-Descartes law, as described in the document https://en.wikipedia.org/wiki/Snell-Descartes's laws or, more generally, for any object or plan element of known orientation and which reflects the ultrasonic waves.
  • the mode or modes of reconstruction selected from the results on the capacity of a mode will then be used in a system of detection and characterization of defects.
  • the invention can in particular be likened to a specular echo estimator for a reconstruction mode considered.
  • the estimator consists in calculating, at each point of an area of interest, the unit contribution of each transceiver pair (i, j) of a detection sensor to a specular echo resulting from a planar defect. predefined orientation. This calculation can be performed using an elastodynamic wave propagation simulation tool known to those skilled in the art.
  • the invention relates to a method for determining at least one mode of reconstruction m of a reflective object having a part capable of generating specular reflections of ultrasonic waves, within a given volume Zr, characterized in that it comprises at least the following steps:
  • n TM (P) formed by the normal direction "forward" direction and “return” 6 day of the transmitted ultrasonic wave and reflected by the reflector element
  • the one or more reconstruction modes m to be used are chosen by choosing the energies E m (P, n) which are greater than a threshold value Es.
  • the reconstruction mode or modes m to be used are determined by limiting the number of reconstruction mode to a given value, offering the best compromise between energy and dimension of the selected reconstruction zone.
  • the calculation of the energy can take into account the reflection coefficients R (mj, n) corresponding to the interaction of the wave with a plane surface defined by the normal n at a point P:
  • the energy value is, for example, determined by taking into account the number of reflections weighted by an arbitrary tolerance:
  • the reflective element to be detected may be a plane defect disposed in a part to be inspected, such as a fault, a notch.
  • the invention also relates to a device for determining at least one detection mode for an ultrasonic wave reflective element, within a given volume Zr and by specular reflections and to characterize one or more defects in a part A comprising at least one ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves and a processing device adapted to use the reconstruction mode or modes obtained by implementing the following steps:
  • the method and the device are for example used for the detection of defects in a room subjected to ultrasonic waves.
  • FIG. 2 an illustration of a reflection counter according to the prior art
  • FIG. 4 an illustration of a reconstruction zone within an object
  • FIG. 5 a mapping of the "reflection counter" estimator according to the prior art for a reconstruction mode
  • FIG. 6, an example of a device for implementing the method according to the invention
  • FIG. 7 a mapping result of the most favorable detection zones obtained after the implementation of the method according to the invention
  • FIG. 8 an illustration of the prediction of the detection possibilities by the invention of two identical defects located in two different regions of the object A.
  • the idea implemented for the method according to the invention consists in particular in determining a suitable reconstruction mode, making it possible to obtain an image of a defect accurately and reliably, for a known inspection configuration and a type of defect sought.
  • the mode thus obtained can then be used for the detection and the characterization of defects in an object to be inspected.
  • the method according to the invention requires to know beforehand a certain amount of information on the part to be inspected and the control device.
  • the required information is then the same as that required to obtain the image of the defect.
  • This information relates to:
  • the type of coupling immersion or contact coupling, o
  • the total flight time is the sum of the travel times in the shoe and the travel time in the material to be inspected. - The position or positions of the sensor on the part during the acquisition of the signals:
  • the invention consists in determining, on the basis of a specular echo estimator, the capacity of this mode to be able to supply or not, by specular reflections, the image of a defect. known orientation plane, located at any point P of the zone of interest Zr or reconstruction zone.
  • the estimator must provide, over this entire reconstruction zone Zr, an estimate of the ultrasonic energy reflected according to this type of reflection, for example.
  • the higher the energy calculated by the estimator the better the detection capacity of the reconstruction mode considered.
  • the estimator is moreover able to provide comparable energy values between all the modes of reconstruction considered.
  • the selected reconstruction mode can then be implemented in a system for detecting and characterizing defects. The steps to obtain this estimator are detailed later in the description.
  • FIG. 6 illustrates an example of a device allowing the implementation of the estimator according to the invention during the inspection of a part.
  • the device comprises a sensor 61 (ultrasonic transducer for example) comprising several transceiver elements 62 (i, j), in the form of a linear array for example, adapted to emit and receive ultrasonic waves, the detector is positioned for example on a carrier 63.
  • the transceivers emit ultrasonic waves which are reflected within the part which may contain a defect D.
  • the reflected signals are picked up by the reception matrix (receivers) and digitized according to a principle known to man of career.
  • the corresponding digital signals are, for example, stored in a file or a memory (not shown for reasons of simplification) to be processed in real time or delayed time. Simultaneously, the position of the sensor corresponding to a recording of signals reflected and picked up by the reception matrix of the sensor is stored.
  • the method according to the invention has made it possible to obtain a tool or estimator which will make it possible, for example, to select one or more most efficient reconstruction modes for detecting defects in an examined part.
  • One way of implementing this estimator is, for example, to transmit the experimental data of the digitized signals and the position of the detection sensor to a processing device 65 comprising a processor 66 on which the estimator 67 is executed in order to reconstruct an image. of the part inspected from signals received on the detection sensor and stored for example in a database 68.
  • the processor may also include an output connected to a display device 69 of the values thus obtained which may be in the form of a map allowing an operator to identify the areas of the room in which a defect can be better detected, function of a reconstruction mode and thus select the best mode of reconstruction.
  • the method and the device according to the invention can be used in the case of immersion control which assumes that the device is immersed in a liquid, water in most cases, the waves then propagating in the liquid before to be refracted in the material.
  • it is implemented for contact checks which assume that the sensor is placed on a shoe then constituting the intermediate medium between the sensor and the part to be inspected.
  • a mesh is defined at the detection zone, in order to identify the points P considered in the method according to the invention.
  • the letter P designates the points of the mesh whatever their coordinates.
  • the mesh is defined as a compromise between obtaining a quality image and the calculation time.
  • the pitch of the mesh will be of the order of ⁇ / 6 with ⁇ the value of the wavelength or even in the interval [ ⁇ / 8, ⁇ / 4].
  • the detection amplitude (i.e. the energy Ed) for a defect D can then be determined by summation of the unit contributions, of each transmitter-receiver pair, calculated at each of the points P of the mesh of the reconstruction zone Zr.
  • the specular echo estimator in its simplest expression, consists first of all in calculating the following unit quantities, at each point P of the zone of interest for the following parameters:
  • a ⁇ p the ultrasonic field for each set of transmitter (s) / ' and receiver (s) j according to the setting defined during the acquisition.
  • setting we refers to the set of acquisition parameters that must be taken into account for the calculation of the field, listed above.
  • This quantity can be calculated by means of an elastodynamic wave propagation simulation software, for example the aforementioned CIVA software developed and marketed by the CEA, available in the publication, "CIVA: An expertise platform for simulation and processing. Ultrasonics Volume 44 Supplement, 22 December 2006, Pages e975-e979, Proceedings of Ultrasonics International (Ul'05) and World Congress on Ultrasonics (WCU),
  • n TM (P) the normal formed by the direction "go" ⁇ d and the direction "return” ⁇ d for the reconstruction mode m, respectively corresponding to the course of the ultrasonic wave associated with the whole of or emitters i, and the path of the ultrasonic wave associated with all or the receivers j.
  • di denotes the direction of the path of the ultrasonic wave coming from the element i and arriving at P, and dj, the direction of the ultrasonic path reflected at P and returning to the element j of the sensor.
  • the final ultrasonic energy sought (to select the most appropriate reconstruction mode for detecting and characterizing a defect) is then determined by summing all the unit contributions at each point P of the reconstruction zone.
  • the points of the zone of reconstruction are distributed for example in the form of a grid whose vertices correspond to the points P.
  • the calculation of the energy is carried out for several possible modes of reconstruction m, for all the points P of the mesh and on a reconstruction zone considered. These energy values can be represented in the form of a map, or a table which indicates for each given point P of the mesh, the corresponding energy value, for a reconstruction mode.
  • the method will then exploit these results in order to define the most appropriate reconstruction mode m for detecting and characterizing a planar defect present in the reconstruction zone.
  • the method will select the maximum energy value in the array and select the reconstruction mode m corresponding to this value, for example to execute a fault finding algorithm.
  • Another way of proceeding consists in using an interval of energy values [Emin, Emax] to select the modes to be used by being limited to a given number of modes of reconstruction.
  • the choice of the reconstruction mode or modes to be used results from a compromise between the number of reconstruction modes and the energy values allowing a good visualization of the defects.
  • R (mj, n) can be defined by analytical formulas or by an elastodynamic wave propagation simulation software known to those skilled in the art, such as the aforementioned CIVA software.
  • Another variant consists in applying an arbitrary tolerance ( ⁇ ) to the reflection counter cf (P), considering the following counter values:
  • the estimator according to the invention makes it possible in particular to obtain a more precise cartography than those obtained by the implementation of the known methods of the prior art and to select a reconstruction mode best suited to the geometry of a part and to a fault.
  • FIG. 7 illustrates the result obtained by the implementation of the method according to the invention.
  • This specular echo estimator can be represented as a map showing the spatial distribution of energy in the area of interest Zr.
  • the amplitude of the energies at each point P is coded on a color palette, represented by shaded gray areas in FIG. 7 with a scale corresponding to the amplitude of the specular echoes.
  • An example of mapping obtained by the formula (4) is illustrated in FIG. 8 for a reconstruction mode TTT and for two planar defects situated at two places in the room. In this example, thanks to the information provided by this estimator, it is possible to predict that the capacity of the reconstruction mode considered to detect a vertical plane defect is proportional to the calculated energy.
  • TLT mode TTL mode
  • LLT mode reconstruction modes known to those skilled in the art, such as those described in the document by Jie Zhang and al, entitled “Defect Detection Using Ultrasonic Arrays: The Multi-mode Total Focusing Method", NDT & E International, 43 (2010) 123-133.
  • the method according to the invention makes it possible to predict quantitatively, for a given configuration, the capacity of a reconstruction mode to be able to detect a reflective element in a specific region of an inspected zone.

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer un mode de détection pour un élément réflecteur d'ondes ultrasonores caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : Pour chaque point P d'un volume donné Zr, déterminer une valeur de champ ultrasonore (I) pour N couples (i, j) d'émetteurs-récepteurs et pour un mode de détection m, calculer un nombre de réflexions de l'onde (II) (III) avec (IV) la normale formée par les directions « aller » (V) et « retour » (VI) de l'onde ultrasonore émise et réfléchie par l'élément réflecteur, calculer la valeur d'énergie (VII) pour chaque point P de la zone Zr, avec (VIII) et pour plusieurs modes m avec (IX) comparer les valeurs d'énergie (X)obtenues à une ou plusieurs valeurs seuils Es, sélectionner la ou les valeurs d'énergies qui vérifient la ou les conditions de valeur seuil, et déduire un mode à utiliser pour construire une représentation de l'élément réflecteur.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION ET DE CARACTERISATION D'UN ELEMENT
REFLECTEUR DANS UN OBJET
L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant de définir un ou plusieurs modes de reconstruction pour détecter et caractériser des défauts, notamment par imagerie et par focalisation synthétique multimodale.
Elle trouve aussi son application dans tout domaine où l'on cherche à détecter et à caractériser des éléments capables de réfléchir une onde ultrasonore, les éléments étant enfouis dans un objet et pouvant être un défaut de structure, une dislocation, une fissure, etc.
Elle peut aussi être mise en œuvre pour caractériser le profil d'une pièce.
Dans le domaine du contrôle non destructif, de nombreuses techniques d'imagerie ultrasonores sont à présent disponibles. Ces techniques représentent un outil majeur pour les applications de contrôle non destructif des matériaux et des assemblages dans de nombreux domaines industriels de pointe tels que l'énergie, la pétrochimie, la sidérurgie, les transports. Elles permettent d'obtenir des informations de localisation absolues et des descriptions de plus en plus réalistes de la morphologie des défauts de structure.
Les méthodes de caractérisation sont étroitement liées à l'imagerie ultrasonore. Dans ce sens, les techniques multiéléments connues sous la désignation anglo-saxonne « Phased Array » ont considérablement amélioré les possibilités d'analyses.
Les méthodes de focalisation synthétiques telles que les méthodes de focalisation totale ou TFM (abrégé anglo-saxon de Total Focussing Method) proposent, par exemple, une imagerie échographique réaliste du matériau inspecté, en exploitant une instrumentation multiélément conventionnelle. Les images TFM apportent une résolution optimale dans toute la vue obtenue. Par construction, ces images TFM offrent comme avantages d'être peu sensibles aux effets d'ombrage et aux rebonds multiples. Selon les modes de propagation et la polarité des ondes sélectionnées, l'imagerie TFM permet de dessiner des défauts volumiques ou des défauts plans verticaux. Cette représentation réaliste apporte un avantage important pour la caractérisation des défauts, en particulier pour des fissures. Les images TFM sont donc plus faciles à analyser ; elles présentent moins de risques d'interprétation erronée et permettent d'envisager des contrôles plus rapides par des opérateurs moins spécialisés.
Les méthodes de focalisation synthétique produisent des images par l'enchaînement de deux étapes principales: une étape d'acquisition des signaux ultrasonores et une étape de construction des images à partir des données précédemment enregistrées. Ces deux étapes peuvent être réalisées de différentes manières exposées ci-après.
L'un des principaux types d'enregistrements des signaux ultrasonores sur lesquels seront ensuite appliqués des algorithmes de reconstruction des données est l'enregistrement de type FMC (Full Matrix Capture) ou matrice interéléments tel que décrit dans le document de C.Holmes, B.W. Drinkwater, P.D. Wilcox, intitulé « Post-Processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive évaluation », NDT&E international vol.38, pp 701 -71 1 , par exemple. Dans ce cas, pour un capteur ultrasonore constitué de plusieurs éléments pilotables individuellement, ce type d'acquisition consiste à enregistrer un ensemble de MxN signaux élémentaires, S (f), avec l≤i≤M et l≤j≤N , où M et N représentent respectivement les nombres d'éléments utilisés en émission et en réception. L'indice / dénote le numéro de l'élément émetteur et l'indice j celui de l'élément récepteur. D'autres méthodes d'acquisition de données connues de l'homme du métier telles que l'émission d'onde plane connue sous l'abréviation anglo-saxonne PWI (Plane Wave Imaging) ou la méthode SAFT (abréviation anglo-saxonne de Synthetic Aperture Focusing Technique) peuvent être utilisées. Pour la construction des images, les méthodes de focalisation synthétique consistent à sommer, de façon cohérente, les contributions extraites des signaux ultrasonores précédemment enregistrés en chaque point de la zone inspectée dans un matériau. Ces méthodes peuvent être réalisées dans le domaine temporel ou fréquentiel. Parmi celles-ci, la méthode TFM précitée constitue l'une de ces principales méthodes d'imagerie. L'algorithme associé consiste à sommer de façon cohérente l'amplitude des signaux reçus pour obtenir des interférences constructives, et ainsi des maxima d'amplitude, à l'endroit où sont effectivement localisés les défauts à l'origine des échos ultrasonores détectés. Il s'appuie principalement sur l'exploitation des temps de vol évalués théoriquement à partir de modèles directs. Cet algorithme peut se résumer ensuite en trois étapes :
1 . La définition d'une zone de reconstruction (positions, dimensions et nombre de points de calcul),
2. Pour chaque point P de la zone de reconstruction définie et pour chaque couple émetteur-récepteur le calcul du temps de vol théorique, Tij (p) correspondant au parcours entre l'émetteur /' et le récepteur y et passant par le point P,
3. Pour chaque point P de la zone, la sommation des amplitudes extraites des signaux stj {t) au temps t = τν {ρ) , ce qui peut s'écrire :
Cette focalisation peut être réalisée en considérant, à la deuxième étape, plusieurs modes de propagation (direct, échos de coin, échos indirects...), et plusieurs types d'ondes (longitudinales L ou transversales T) tels que décrits par exemple dans le document de A. Fidahoussen, P. Calmon, M. Lambert, S. Paillard, S. Chatillon, « Imaging of defects in several complex configurations by simulation-helped processing of ultrasonic array data », Review of progress in QNDE, Vol. 29, pp. 847-854, 2010. Les figures 1 a, 1 b et 1 c illustrent différents types de trajets. Pour le mode de reconstruction direct, figure 1 a, les parcours mis en jeu correspondent à des trajets directs entre les différents éléments du capteur C et les points P de la zone de reconstruction, c'est-à-dire sans rebond sur le fond de la pièce, comme illustré sur cette figure 1 a. Pour les modes de reconstruction échos de coin et échos indirects, (figures 1 b et 1 c), les trajets pris en compte pour le calcul des temps de vol dans l'équation (1 ) peuvent inclure une ou plusieurs réflexions sur le fond de la pièce A au cours du trajet entre l'élément émetteur et le point de la zone de reconstruction et/ou au cours du trajet entre le point de reconstruction et l'élément récepteur. La polarisation de l'onde entre deux interactions successives, longitudinale ou transversale est également prise en compte.
Le fait que chaque reconstruction TFM soit associée à un mode de propagation (direct, écho de coin, rebonds multiples dans la pièce...), ainsi qu'à la polarité des ondes ultrasonores (longitudinale ou transversale), donne lieu à un nombre important d'images, dont chacune peut porter des informations différentes et complémentaires sur la position, sur la nature et sur la géométrie des défauts D recherchés.
La pertinence d'une image associée à un mode de propagation donné varie en fonction de la configuration de contrôle considérée (capteur utilisé, géométrie de la pièce inspectée, position et orientation du défaut...). Cette pertinence n'est de plus pas nécessairement vraie pour tous les points d'une même zone de reconstruction.
L'art antérieur décrit aussi un « compteur de réflexions », illustré à la figure 2. Pour un défaut plan D d'orientation connue, cet estimateur consiste à comptabiliser le nombre de couples émetteurs i et récepteurs j, pour lesquels un trajet vérifiant la loi de Snell-Descartes (figure 3) existe suivant le mode de reconstruction considéré. Ainsi, pour un mode de reconstruction m, en supposant que chaque point P de la zone de reconstruction appartienne à un défaut plan de normale n , le Compteur de Réflexions noté Cm{P,n) , est donné par : cm(p,n) =∑c;{p, i) (2)
i,j=l
13 θ sinon n™(P) : la normale formée par les directions aller (ÎL et retour 6i de l'onde,
/' : indice élément émetteur,
j : indice élément récepteur,
N : nombre d'éléments émetteur-récepteur composant le traducteur,
G, , l'angle que fait la direction aller d, avec la normale f . pour un mode de reconstruction m, et 0r , l'angle que fait la direction retour dr avec la normale y pour un mode de reconstruction m. Une méthode de reconstruction ultrasonore est décrite, par exemple, au chapitre 5.3.2 de la thèse intitulée « Développement de méthodes de reconstruction ultrasonore pour la localisation et la caractérisation de défauts » soutenue par Alex Fidahoussen le 21 septembre 2012.
Dans l'exemple suivant, figure 4, on considère un défaut plan D d'orientation verticale, dans un objet A à inspecter, pour une zone de reconstruction donnée Zr et pour une reconstruction en mode écho de coin {i.e. avec un rebond sur le fond de l'objet) ne prenant en compte que des ondes transversales T. L'évaluation du Compteur de Réflexion Cm{P, n) en chaque point P de cette zone de reconstruction Zr permet de constituer une cartographie (figure 5) dont les valeurs sont codées suivant une palette de couleurs représentée sur la figure par des zones de grisés nuancés. Ainsi, pour un mode de reconstruction m, cette cartographie indique que dans la zone Z1 (Amplitude =0), aucun trajet spéculaire ne peut exister entre un émetteur /', un défaut plan d'orientation verticale et un récepteur y. Cet estimateur apporte des informations nécessaires mais non suffisantes pour prédire pleinement la pertinence d'un mode de reconstruction pour détecter un défaut plan d'orientation connue situé dans la zone de reconstruction. En effet, le mode de reconstruction ne considère que les trajets géométriques, et d'autres considérations physiques doivent également être prises en compte.
La demande de brevet FR 3 029 636 décrit un procédé d'imagerie par ultrasons utilisant un transducteur multiélément et basé sur la technique de reconstruction appelée « focalisation en tous points ».
L'un des objectifs de l'invention est de proposer un outil permettant de prédire, pour une configuration du système de détection de défauts et un type de défauts recherchés, le ou les modes de reconstruction m les plus pertinents à utiliser pour obtenir une meilleure visualisation et caractérisation de défauts présents dans une pièce. Plus précisément, pour chaque point P appartenant à une zone de reconstruction Zr, cet outil permet d'estimer la capacité d'un mode de reconstruction à pouvoir détecter ou non, les faciès d'un défaut plan à partir d'échos spéculaires dont le parcours vérifie la loi de Snell-Descartes, tel qu'il est décrit dans le document https://fr.wikipedia.org/wiki/Lois de Snell-Descartes ou, de manière plus générale, pour tout objet ou élément plan d'orientation connue et qui réfléchit les ondes ultrasonores.
Le ou les modes de reconstruction sélectionnés à partir des résultats sur la capacité d'un mode seront alors utilisés dans un système de détection et de caractérisation de défauts.
L'invention peut notamment être assimilée à un estimateur d'échos spéculaires pour un mode de reconstruction considéré. L'estimateur consiste notamment à calculer, en chaque point d'une zone d'intérêt, la contribution unitaire de chaque couple émetteur-récepteur (i, j) d'un capteur de détection à un écho spéculaire provenant d'un défaut plan d'orientation prédéfinie. Ce calcul peut être réalisé au moyen d'un outil de simulation de propagation d'ondes élastodynamiques connu de l'homme du métier.
La sommation de toutes ces contributions (énergie réfléchie) en chacun des points d'une zone d'intérêt permet alors de prédire l'amplitude de détection d'un type de défaut par un écho spéculaire. Une cartographie de ces amplitudes, analogue à celle proposée pour le compteur de réflexions de l'art antérieur mais plus précise, peut ainsi être réalisée et, à partir de cette cartographie, un opérateur pourra sélectionner un ou plusieurs modes de reconstruction pour inspecter un objet.
L'invention concerne un procédé pour déterminer au moins un mode de reconstruction m d'un objet réflecteur présentant une partie capable de générer des réflexions spéculaires d'ondes ultrasonores, au sein d'un volume donné Zr, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
• pour chaque point P du volume donné Zr, déterminer une valeur de champ ultrasonore A™(P) pour N couples (i, j) d'émetteurs- récepteurs et pour un mode de détection m,
N
• calculer un nombre de réflexions de l'onde Cm (P, n) = ^c (P,n) où i,j=l
avec n™(P) la normale formée par la direction « aller » et la direction « retour » 6j de l'onde ultrasonore émise et réfléchie par l'élément réflecteur,
• calculer la valeur d'énergie Em(P,n) pour chaque point P de la zone
Zr, avec n la normale à l'élément réflecteur et pour plusieurs modes de détection m, en sommant sur les N couples d'émetteurs- récepteurs, (i, j), le produit de la valeur de champ ultrasonore par le nombre de réflexions de l'onde : avec Em (P, n) =∑A; (P)cij (P, n)
i =i
• comparer la ou lesdites valeurs d'énergie Em(P,n) obtenues à un critère donné et, à partir du résultat obtenu, sélectionner au moins un mode de reconstruction m à utiliser pour détecter et caractériser l'élément réflecteur. Selon une variante de réalisation, on détermine le ou les modes de reconstruction m à utiliser en choisissant les énergies Em(P,n) qui sont supérieures à une valeur seuil Es.
Selon une autre variante, le ou les modes de reconstruction m à utiliser sont déterminés en limitant le nombre de mode de reconstruction à une valeur donnée, offrant le meilleur compromis entre énergie et dimension de la zone de reconstruction sélectionnée.
Le calcul de l'énergie peut prendre en compte les coefficients de réflexion R(mj, n) correspondant à l'interaction de l'onde avec une surface plane définie par la normale n à un point P :
La valeur d'énergie est, par exemple, déterminée en tenant mpte du nombre de réflexions pondéré par une tolérance arbitraire :
L'élément réflecteur à détecter peut être un défaut plan disposé dans une pièce à inspecter, tel qu'une faille, une entaille.
L'invention concerne aussi un dispositif pour déterminer au moins un mode de détection pour un élément réflecteur d'ondes ultrasonores, au sein d'un volume donné Zr et par réflexions spéculaires et caractériser un ou plusieurs défauts dans une pièce A comportant au moins un transducteur ultrasonore pour émettre et recevoir des ondes ultrasonores et un dispositif de traitement adapté à utiliser le ou les modes de reconstruction obtenus par la mise en œuvre des étapes suivantes :
• pour chaque point P du volume donné Zr, déterminer une valeur de champ ultrasonore A? (P) pour N couples (i, j) d'émetteurs- récepteurs et pour un mode de détection m,
N
• calculer un nombre de réflexions de l'onde Cm (P, n) =∑c™(P,w) où i,j=l
sinon avec y (P) la normale formée par les directions « aller » di et « retour » 6i de l'onde ultrasonore émise et réfléchie par l'élément réflecteur,
• calculer la valeur d'énergie Em(P,n) pour chaque point P de la zone
Zr, avec n la normale à l'élément réflecteur et pour plusieurs modes de détection m, en sommant sur les N couples d'émetteurs- récepteurs, (i, j), le produit de la valeur de champ ultrasonore par le nombre de réflexions de l'onde : avec Em (P, n) =∑A; (P)cij (P, n)
i =i
• comparer les valeurs d'énergies Em(P,n) obtenues à un critère donné et à partir du résultat obtenu sélectionner au moins un mode de reconstruction m à utiliser pour détecter et caractériser l'élément réflecteur.
Le procédé et le dispositif sont par exemple utilisés pour la détection de défauts dans une pièce soumise à des ondes ultrasonores.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, d'exemples donnés à titre illustratif et nullement limitatif, faite en regard des figures qui représentent :
• Figures 1 a, 1 b, 1 c, une illustration des différents types de trajets,
• Figure 2, une illustration d'un compteur de réflexions selon l'art antérieur,
• Figure 3, une illustration d'un trajet selon la loi de Snell-Descartes,
• Figure 4, une illustration d'une zone de reconstruction au sein d'un objet et Figure 5, une cartographie de l'estimateur de « compteur de réflexions » selon l'art antérieur pour un mode de reconstruction,
• Figure 6, un exemple de dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, • Figure 7, un résultat de cartographie des zones de détection les plus favorables obtenue après la mise en œuvre du procédé selon l'invention, et
• Figure 8, une illustration de la prédiction des possibilités de détection par l'invention, de deux défauts identiques situés dans deux régions différentes de l'objet A.
L'idée mise en œuvre pour le procédé selon l'invention consiste notamment à déterminer un mode de reconstruction adapté, permettant d'obtenir une image d'un défaut de manière précise et fiable, pour une configuration d'inspection connue et un type de défaut recherché. Le mode ainsi obtenu peut ensuite être utilisé pour la détection et la caractérisation de défauts dans un objet à inspecter.
Pour être mis en application, le procédé selon l'invention nécessite de connaître préalablement un certain nombre d'informations sur la pièce à inspecter et le dispositif de contrôle. Les informations requises sont alors les mêmes que celles nécessaires à l'obtention de l'image du défaut.
Ces informations concernent :
- La pièce à inspecter :
o La connaissance de la géométrie de la pièce suivant son épaisseur,
o La connaissance des vitesses de propagation des ondes d'intérêt (ondes longitudinales L et transversales T), o La prise en compte d'autres propriétés physiques : l'anisotropie, l'atténuation des ondes considérées, etc. pour modéliser la propagation d'une onde dans la pièce à étudier, et effectuer le calcul du champ,
- Le ou les traducteurs multiéléments du capteur :
o La découpe élémentaire : linéaire, matriciel, annulaire..., o Le nombre d'éléments considérés : N,
o Le pas, pris centre à centre, entre les éléments (pitch) constituant le capteur, afin de calculer les temps de vol nécessaires entre un émetteur, un point de focalisation de la pièce et un récepteur, les coordonnées des éléments du capteur étant connues,
o Le type de couplage : couplage par immersion ou au contact, o La géométrie du sabot du capteur, ainsi que ses propriétés physiques (vitesse des ondes le traversant), afin d'estimer le temps de vol de l'onde ultrasonore dans le sabot. Le temps de vol total est la somme des temps de parcours dans le sabot et du temps de parcours dans le matériau à inspecter, - La ou les positions du capteur sur la pièce lors de l'acquisition des signaux:
o Le réglage des éléments émetteur et récepteur, c'est-à-dire pour chaque tir, la définition :
■ du ou des éléments actifs en émission, avec leur loi de retards associée,
■ du ou des éléments actifs en réception, avec leur loi de retards associée.
- L'orientation du défaut plan recherché, définie par sa normale n ,
- L'ensemble des modes de reconstruction à considérer,
- La zone d'intérêt Zr dans laquelle on effectue les reconstructions.
Ces paramètres sont mis en œuvre dans le calcul de l'outil ou estimateur du mode de reconstruction selon l'invention.
Pour chaque mode m possible de reconstruction, l'invention consiste à déterminer, sur la base d'un estimateur d'échos spéculaires, la capacité de ce mode à pouvoir fournir ou non, par des réflexions spéculaires, l'image d'un défaut plan d'orientation connue, situé en n'importe quel point P de la zone d'intérêt Zr ou zone de reconstruction. Pour cela, l'estimateur doit fournir, sur toute cette zone de reconstruction Zr, une estimation de l'énergie ultrasonore réfléchie suivant ce type de réflexions, par exemple. Plus l'énergie calculée par l'estimateur sera importante, et meilleure sera la capacité de détection du mode de reconstruction considéré. L'estimateur est de plus capable de fournir des valeurs d'énergie comparables entre tous les modes de reconstruction considérés. Le mode de reconstruction retenu pourra alors être mis en œuvre dans un système de détection et de caractérisation de défauts. Les étapes permettant d'obtenir cet estimateur sont détaillées plus loin dans la description.
La figure 6 illustre un exemple de dispositif permettant la mise en œuvre de l'estimateur selon l'invention lors de l'inspection d'une pièce. Le dispositif comprend un capteur 61 (transducteur ultrasonore par exemple) comprenant plusieurs éléments émetteurs-récepteurs 62(i,j), sous forme de barrette linéaire par exemple, adaptés à émettre et à recevoir des ondes ultrasonores, le détecteur est positionné par exemple sur un support 63. Les émetteurs-récepteurs émettent des ondes ultrasonores qui sont réfléchies au sein de la pièce qui peut contenir un défaut D. Les signaux réfléchis sont captés par la matrice de réception (récepteurs) et numérisés selon un principe connu de l'homme du métier. Les signaux numériques correspondant sont, par exemple, mémorisés dans un fichier ou une mémoire (non représentés pour des raisons de simplification) pour être traités en temps réel ou en temps différé. Simultanément, la position du capteur correspondant à un enregistrement de signaux réfléchis et captés par la matrice de réception du capteur est mémorisée.
Le procédé selon l'invention a permis d'obtenir un outil ou estimateur qui va permettre par exemple de sélectionner un ou plusieurs modes de reconstruction les plus performants pour détecter les défauts dans une pièce examinée. Une façon de mettre en œuvre cet estimateur consiste par exemple à transmettre les données expérimentales des signaux numérisés et de la position du capteur de détection à un dispositif de traitement 65 comprenant un processeur 66 sur lequel est exécuté l'estimateur 67 afin de reconstruire une image de la pièce inspectée à partir de signaux reçus sur le capteur de détection et mémorisés par exemple dans une base de données 68. Le processeur peut aussi comporter une sortie reliée à un dispositif d'affichage 69 des valeurs ainsi obtenues pouvant se présenter sous la forme d'une cartographie permettant à un opérateur de repérer les zones de la pièce dans lesquelles un défaut pourra être mieux détecté, en fonction d'un mode de reconstruction et donc sélectionner le meilleur mode de reconstruction.
Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être utilisés dans le cas de contrôle en immersion qui suppose que le dispositif soit plongé dans un liquide, de l'eau dans la plupart des cas, les ondes se propageant alors dans le liquide avant d'être réfractées dans le matériau. Selon une autre application, il est mis en œuvre pour des contrôles au contact qui supposent que le capteur est placé sur un sabot constituant alors le milieu intermédiaire entre le capteur et la pièce à inspecter.
Pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, un maillage est défini au niveau de la zone de détection, afin de repérer les points P considérés dans le procédé selon l'invention. La lettre P désigne les points du maillage quelque soit leur coordonnée. Le maillage est défini comme un compromis entre l'obtention d'une image de qualité et le temps de calcul. Par exemple, le pas du maillage sera de l'ordre de λ/6 avec λ la valeur de la longueur d'onde ou encore compris dans l'intervalle [λ/8, λ/4].
L'amplitude de détection (i.e. l'énergie Ed) pour un défaut D peut alors être déterminée par sommation des contributions unitaires, de chaque couple émetteur-récepteur, calculées en chacun des points P du maillage de la zone de reconstruction Zr.
Pour un mode de reconstruction m, l'estimateur d'échos spéculaires, dans son expression la plus simple, consiste tout d'abord à calculer les quantités unitaires suivantes, en chaque point P de la zone d'intérêt pour les paramètres suivants:
A {p) : le champ ultrasonore pour chaque ensemble d'émetteur(s) /' et de récepteur(s) j suivant le réglage défini lors de l'acquisition. Par réglage, on fait référence à l'ensemble des paramètres d'acquisition qui doivent être pris en compte pour le calcul du champ, listés précédemment. Cette grandeur peut être calculée au moyen d'un logiciel de simulation de propagation d'ondes élastodynamiques, par exemple le logiciel précité CIVA développé et commercialisé par le CEA, disponible dans la publication, « CIVA: An expertise platform for simulation and processing NDT data », Ultrasonics volume 44 Supplément, 22 December 2006, Pages e975-e979, Proceedings of Ultrasonics International (Ul'05) and World Congress on Ultrasonics (WCU),
- (P) : le compteur de réflexions égal à 1 si n™(P) est colinéaire à la normale au défaut n, et à 0 sinon. Une façon d'estimer c™(P) peut re donnée par :
v θ sinon avec n™(P) la normale formée par la direction « aller » ~d et la direction « retour » ~d pour le mode de reconstruction m, correspondant respectivement au parcours de l'onde ultrasonore associé à l'ensemble du ou des émetteurs i, et au parcours de l'onde ultrasonore associée à l'ensemble du ou des récepteurs j. di désigne la direction du trajet de l'onde ultrasonore provenant de l'élément i et arrivant en P, et dj, la direction du trajet ultrasonore réfléchie en P et retournant vers l'élément j du capteur. Ces trajets peuvent être directs ou via un rebond dans la pièce inspectée.
Les contributions unitaires de chaque élément du capteur, pour un mode donné m et pour un point P du maillage résultent alors du produit du champ A {p) par le compteur de réflexion c™(P) .
L'énergie ultrasonore finale recherchée (pour sélectionner le mode de reconstruction le plus approprié pour détecter et caractériser un défaut) est alors déterminée en sommant toutes les contributions unitaires en chaque point P de la zone de reconstruction. Les points de la zone de reconstruction sont distribués par exemple sous la forme d'une grille dont les sommets correspondent aux points P. En notant cette énergie Em{P, n) , une façon de l'estimer est donnée par la relation suivante :
Em (P, n) =∑A; (P)cm ij (P, n) (4).
i,j=l
Pour le mode de reconstruction m, on obtient une valeur d'énergie Em(P,n) correspondant à l'énergie ultrasonore recueillie par le capteur (ensemble des éléments) après réflexion sur un défaut plan d'orientation connue pour un point du maillage P.
Le calcul de l'énergie est effectué pour plusieurs modes possibles de reconstruction m, pour l'ensemble des points P du maillage et sur une zone de reconstruction considérée. Ces valeurs d'énergie peuvent être représentées sous la forme d'une cartographie, ou d'un tableau qui indique pour chaque point donné P du maillage, la valeur d'énergie correspondante, pour un mode de reconstruction.
Le procédé va ensuite exploiter ces résultats afin de définir le mode de reconstruction m le plus approprié pour détecter et caractériser un défaut plan présent dans la zone de reconstruction.
Selon une variante de réalisation, le procédé va sélectionner la valeur d'énergie maximale dans le tableau et sélectionner le mode de reconstruction m correspondant à cette valeur, pour exécuter par exemple un algorithme de recherche de défauts.
Par exemple, il est possible de comparer la ou les valeurs d'énergies Em(P,n) à une valeur seuil Es et, à partir du résultat issu de la comparaison, de sélectionner les valeurs d'énergie supérieures à cette valeur seuil et donc les modes à utiliser pour détecter et caractériser un défaut dans une zone de reconstruction donnée.
Une autre manière de procéder consiste à utiliser un intervalle de valeurs d'énergie [Emin, Emax] pour sélectionner les modes à utiliser en se limitant à un nombre donné de modes de reconstruction. Dans cette variante le choix du ou des modes de reconstruction à utiliser, résulte d'un compromis entre le nombre de modes de reconstruction et les valeurs d'énergie permettant une bonne visualisation des défauts.
Selon une autre variante de réalisation, il est possible d'améliorer l'estimateur défini notamment par la formule (4) en prenant en compte d'autres quantités physiques telles que les coefficients de réflexion R(mj, n) correspondant à l'interaction de l'onde avec une surface plane définie par la normale n au point P. R(mj, n) peut être défini par des formules analytiques ou par un logiciel de simulation de propagation d'ondes élastodynamiques connu de l'homme du métier, tel que le logiciel CIVA précité.
Une façon de prendre en compte les coefficients de réflexion est la suivante :
Une autre variante consiste à appliquer une tolérance arbitraire (ε) au compteur de réflexions c f (P), en considérant les valeurs du compteur suivantes:
11 θ sinon
L'estimateur selon l'invention permet notamment d'obtenir une cartographie plus précise que celles obtenues par la mise en œuvre des méthodes connues de l'art antérieur et de sélectionner un mode de reconstruction le mieux adapté à la géométrie d'une pièce et à un défaut.
La figure 7 illustre le résultat obtenu par la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Cet estimateur d'échos spéculaires peut être représenté sous forme de cartographie montrant la répartition spatiale de l'énergie dans la zone d'intérêt Zr. Dans ce cas, l'amplitude des énergies en chaque point P est codée sur une palette de couleurs, représentée par des zones de grisés nuancés sur la figure 7 avec une échelle correspondant à l'amplitude des échos spéculaires. Un exemple de cartographie obtenue par la formule (4) est illustré sur la figure 8 pour un mode de reconstruction TTT et pour deux défauts plans situés à deux endroits de la pièce. Sur cet exemple, grâce aux informations fournies par cet estimateur, il est possible de prédire que la capacité du mode de reconstruction considéré à détecter un défaut plan vertical est proportionnelle à l'énergie calculée. Ainsi, dans les régions où l'énergie est faible (voire nulle), ce type de défaut ne sera pas détecté, et inversement, dans les régions où l'énergie est importante, les possibilités de détection seront maximales. Par exemple, pour la zone 80 qui est une région de forte détectabilité, le défaut plan D1 est correctement détecté sur toute sa hauteur, comme il est illustré en 81 . Pour la zone 83 à détectabilité plus faible, le défaut vertical D2 est mal détecté, ce qui est représenté en 84.
La description s'applique pour différents modes de reconstruction, par exemple, le mode TLT, le mode TTL, le mode LLT, ou des modes de reconstruction connus de l'homme du métier, tels que ceux décrits dans le document de Jie Zhang et al, intitulé « Defect détection using ultrasonic arrays : the multi-mode total focusing method », NDT&E International, 43(2010) 123-133.
Le procédé selon l'invention permet de prédire quantitativement, pour une configuration donnée, la capacité d'un mode de reconstruction à pouvoir détecter un élément réflecteur dans une région précise d'une zone inspectée.
Les applications sont diverses, telles que la détection et la caractérisation (nature, position, orientation) de défauts dans le contrôle non destructif par ultrasons.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé pour déterminer au moins un mode de reconstruction m d'un objet réflecteur présentant une partie capable de générer des réflexions spéculaires d'ondes ultrasonores, au sein d'un volume donné Zr, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
• pour chaque point P du volume donné Zr, déterminer une valeur de champ ultrasonore A? (P) pour N couples (i, j) d'émetteurs- récepteurs et pour un mode de détection m,
N
· calculer un nombre de réflexions de l'onde Cm(P,îî) = Cy {P,n) où i,j=l
v θ sinon avec y (P) la normale formée par la direction « aller » 6.t et la direction
« retour » 6i de l'onde ultrasonore émise et réfléchie par l'élément réflecteur,
• calculer la valeur d'énergie Em(P,n) pour chaque point P de la zone Zr, avec n la normale à l'élément réflecteur et pour plusieurs modes de détection m, en sommant sur les N couples d'émetteurs- récepteurs, (i, j), le produit de la valeur de champ ultrasonore par le nombre de réflexions de l'onde : avec Em (P, n) =∑A; (P)cij (P, n)
i =i
· comparer la ou lesdites valeurs d'énergies Em(P,n) obtenues à un critère donné et à partir du résultat obtenu sélectionner au moins un mode de reconstruction m à utiliser pour détecter et caractériser l'élément réflecteur. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on détermine le ou les modes de reconstruction m à utiliser en choisissant les valeurs d'énergies Em(P,n) qui sont supérieures à une valeur seuil Es. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on détermine le ou les modes de reconstruction m à utiliser en limitant le nombre de mode de reconstruction à une valeur donnée, offrant le meilleur compromis entre énergie et dimension de la zone de reconstruction sélectionnée. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le calcul de l'énergie prend en compte les coefficients de réflexion R(nij, n) correspondant à l'interaction de l'onde avec une surface plane définie par la normale n à un point P :
N
Em (P, rî) = A;(PMnv, )cij (P, n) .
5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la valeur d'énergie est déterminée en tenant compte du nombre de réflexions re :
6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'élément réflecteur est un défaut plan disposé dans une pièce à inspecter, tel qu'une faille, une entaille. 7 - Dispositif pour déterminer au moins un mode de détection pour un élément réflecteur d'ondes ultrasonores, au sein d'un volume donné Zr et par réflexions spéculaires et caractériser un ou plusieurs défauts dans une pièce A comportant un transducteur ultrasonore pour émettre et recevoir des ondes ultrasonores et au moins un dispositif de traitement (65) adapté à utiliser le ou les modes de reconstruction obtenus par la mise en œuvre des étapes suivantes :
• pour chaque point P du volume donné Zr, déterminer une valeur de champ ultrasonore A™(P) pour N couples (i, j) d'émetteurs- récepteurs et pour un mode de détection m,
N
• calculer un nombre de réflexions de l'onde Cm (P, îî) = c™(P,n) où i,j=l
avec n™(P) la normale formée par les directions « aller » et « retour » 6j de l'onde ultrasonore émise et réfléchie par l'élément réflecteur,
• calculer la valeur d'énergie Em(P,n) pour chaque point P de la zone
Zr, avec n la normale à l'élément réflecteur et pour plusieurs modes de détection m, en sommant sur les N couples d'émetteurs- récepteurs, (i, j), le produit de la valeur de champ ultrasonore par le nombre de réflexions de l'onde : avec Em (P, n) =∑A; (P)cij (P, n)
i =i
• comparer les valeurs d'énergies Em(P,n) obtenues à un critère donné et à partir du résultat obtenu sélectionner au moins un mode de reconstruction m à utiliser pour détecter et caractériser l'élément réflecteur.
8 - Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 6 pour la détection de défauts dans une pièce soumise à des ondes ultrasonores.
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